BAB I

DASAR TEORI

Adaptor/catu daya adalah sumber tegangan DC yang digunakan

untuk memberikan tegangan atau daya kepada berbagai rangkaian

elektronika yang membutuhkan tegangan DC agar dapat beroperasi.

Rangkaian pokok dari catu daya tidak lain adalah suatu penyearah yakni

suatu rangkaian yang mengubah sinyal bolak-balik (AC) menjadi sinyal

searah (DC). Sumber daya diperoleh dari baterai, solar sel, generator

AC/DC, dan jala-jala listrik PLN.

Berbagai sumber daya tersebut akan kita bahas salah satunya type

catu daya yang terjadi melalui suatu proses pengubahan dari tegangan

AC (bolak-balik) ke DC (searah ). Proses pengubahan dimulai dari

penyearahan oleh diode, penghalusan tegangan kerut (Ripple Voltage

Filter) dengan menggunakan condensator dan pengaturan (regulasi) oleh

rangkaian regulator. Pengaturan meliputi pengubahan tingkat tegangan

atau arus. Pada teknik regulasi pada pembuatan catu daya, kita mengenal

teknik regulasi daya linier dan teknik regulasi switching.

1) DIODA SEBAGAI PENYEARAH

Dioda semikonduktor

Bahan dasar yang banyak digunakan untuk membuat piranti

elektronik adalah bahan semikonduktor germanium (Ge) dan silikon

(Si), yang mana kedua bahan ini mempunyai elektron valensi yang

sama.

Sambungan bahan semikonduktor P dan N mendasari suatu piranti

elektronik aktif yang disebut sebagai Dioda.

Dioda mempunyai elektroda Anoda yang berkutub positif dan

elektroda Katoda yang berkutub negatif. Simbol dioda diperlihatkan

seperti pada gambar 1.1.

Gambar 1.1 Simbol Dioda

a. Bias Maju Dioda

Jika anoda dihubungkan pada polaritas positif batere, sedangkan

katoda pada polaritas negatif seperti gambar 1.2, maka keadaan

dioda disebut arah maju (forward-bias) aliran arus dari anoda

menuju katoda, dan aksinya sama dengan rangkaian tertutup

Gambar 1.2 Bias maju-Saklar on

I

Forward

U

Gambar 1.3 Kurva Hubungan arus dan tegangan bias maju

b. Bias Mundur Dioda

Jika katoda dihubungkan pada polaritas positif batere, sedangkan

anoda pada polaritas negatif seperti gambar 1.4, maka keadaan

dioda disebut arah mundur (reverse-bias) dan aksinya sama

dengan rangkaian terbuka.

Gambar 1.4 Bias mundur –Saklar off

Sebagai sifat dioda, pada saat reverse, nilai tahanan dioda relatif

sangat besar dan dioda ini tidak dapat menghantarkan arus.

Gambar 1.5 memperlihatkan kurva pada saat reverse. Harga-

harga nominal baik arus maupun tegangan tidak boleh

dilampaui, karena akan mengakibatkan rusaknya dioda.

-U

Reverse

-I

Gambar 1.5 Kurva Hubungan arus dan tegangan bias maju.

Secara umum dioda digunakan sebagai penyearah (rcctifier)

arus/tegangan arus bolak balik (AC) satu fasa atau tiga fasa

kedalam bentuk gelombang arus searah (DC).

Pada dasarnya penyearahan ini ada dua macam yaitu:

1. Penyearah setengah gelombang (half wave rectifier)

2. Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier)

2) PENYEARAH (RECTIFIER)

Tegangan arus searah biasanya dibutuhkan untuk

mengoperasikan peralatan elektronik, misalnya pesawat

amplifier, peralatan kontrol elektronik, peralatan komunikasi dan

sebagainya.

Catu daya arus searah (DC) dapat diperoreh dari batere atau dari

sumber daya listrik 220/240 Volt Ac 50 Hz yang dirubah menjadi

arus searah melalui rangkaian penyearah (rectifier).

Pada sistem rangkaian penyearah ada 4 fungsi dasar yang

dibahas, yaitu:

1. Tranformasi tegangan yang diperlukan untuk menurunkan

tegangan yang diinginkan.

2. Rangkaian penyearah, rangkaian ini untuk mengubah tingkat

tegangan arus bolak balik ke arus searah.

3. Filter, merupakan rangkaian untuk memproses fluktuasi

penyearahan yang menghasilkan keluaran tegangan DC yang

lebih rata.

4. Regulasi, adalah parameter yang sangat penting pada catu

daya dan regulator tegangan dengan bahan bervariasi.

3) PENYEARAH SETENGAH GELOMBANG

Contoh sederhana rangkaian penyearah setengah gelombang

diperlihatkan seperti gambar 1.6

Us Diode

+

Time Us RL

-

common

Gambar 1.6 Rangkaian Penyearah setengah gelombang

Jika dioda dalam kondisi menghantar (conduct) pada setengah

perioda positif, dioda tersebut pada keadaaan forward biased

sehingga arus mengalir dan melewati tahanan beban RL.

Pada saat setengah perioda negatif, dioda bersifat menghambat

(reverse biased) nilai tahanan dioda sangat tinggi dan dioda

tidak menghantar.

Secara praktis, tegangan keluaran (UL) hampir sama dengan

sumber Us

Drop tegangan pada dioda lebih kurang 700mV.

Gambar 1.7 memperlihatkan bentuk gelombang proses

penyearahan setengah gelombang.

Gambar 1.7 Bentuk Gelombang Output Penyearah Setengah

Gelombang

Untuk menghitung besarnya harga rata-rata dari signal yang

disearahkan, kita dapat menghitung dari luas kurva seperti pada

gambar 1.8

Gambar 1.8 kurva harga rata-rata

4) PENYEARAH GELOMBANG PENUH

Rangkaian penyearah gelombang penuh dapat diperoleh

dengan dua cara.

Cara pertama memerlukan transformator sadapan pusat

(Centre Tap-CT).

Cara yang lain untuk mendapatkan keluaran (output)

gelombang penuh adalah dengan menggunakan empat dioda

disebut penyearah jembatan (rectifier bridge).

4.1 Rangkaian Penyearah Centre Tap

Penyearah gelombang penuh dengan menggunakan

transformator sadapan pusat (Center Tap) diperlihatkan seperti

gambar 1.10 dan 1.11

D1

A

D2 R

L

B

Gambar 1.10 Penyearah dengan Trafo CT

Bila U1 dan U2 mempunyai polaritas, ujung A berpolaritas positif

dan ujung B berpolaritas negatif. Pada saat ini D1 menghantar

(conduct) sedangkan D2 tidak menghantar (reverse biased).

Pada saat A berpolaritas negatif , sedang B berpolaritas positif,

pada saat ini D2 menghantar sedangkan D1 tidak menghantar.

Bentuk gelombang input dan output ditunjukkan seperti terlihat

pada gambar 1.11

Gambar 1.11 Bentuk gelombang Penyearah gelombang

penuh

Harga tegangan dapat dihitung:

Ueff = 0,707 x Um

Udc = 0,636 x Um

Harga arus dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:

Um

Im = ---------

RL

Udc

Idc = ----------

Bridge rectifier

RL

4.2 Penyearah Gelombang Penuh Sistem Jembatan

Rangkaian penyearah ini memerlukan empat buah dioda yang

dipasang dengan konfigurasi jembatan seperti terlihat pada

gambar 1.13

a) b)

A +

D1 D2

- + RL -

B D3 D4 120 Ώ

Gambar 1.13 Rangkaian penyearah sistem jembatan

Pada saat terminal A positif dan terminal B negatif , dioda-dioda

D2 dan D3 berada dalam kondisi menghantar seadangkan D4

dan D1 tidak menghantar.

Pada saat terminal A negatif dan B positip , dioda yang

menghantar adalah D4 dan D1, sedang D2 dan D3 tidak

menghantar.

Dengan demikian setiap setengah perioda tegangan bolak balik

ada dua dioda yang menghantar (conduct) secara bersamaan

dan dua buah dioda lainnya tidak menghantar sehingga

menghasilkan bentuk gelombang penuh.

Tegangan rata-rata (Udc) sama dengan sistem penyearah

dengan menggunakan trafo CT.

Bentuk gelombang keluaran (output) terlihat seperti gambar

1.14.

a. Kelebihan sistem jembatan terhadap sistem trafo CT adalah

adanya dioda yang tersambung seri sehingga masing-masing

dioda dapat menahan tegangan balik maksimumnya.

5) FILTER

Penyearah tanpa filter menghasilkan keluaran sinyal output yang

berupa pulsa. Walaupun nilai rata-rata dari sinyal ini tidak nol,

akan tetapi sinyal ini masih belum dapat dipakai sebagai sumber

daya atau catu daya untuk peralatan elektronika seperti pesawat

radio, tape, komputer dan lain-lain. Oleh karena itu diperlukan

rangkaian tambahan untuk lebih menghaluskan atau meratakan

sinyal keluaran tersebut. Rangkaian ini disebut dengan filter.

Setiap gelombang keluaran hasil penyearahan baik yang tanpa

filter maupun yang dengan filter terdiri atas komponen DC dan

komponen AC (ripel). Akan tetapi sumber tegangan baterai/accu

tidak mempunyai komponen AC. Semakin baik kualitas suatu catu

daya berarti semakin kecil perbandingan antara nilai komponen

AC (ripel) terhadap komponen DC. Ukuran ini disebut dengan

istilah faktor ripel (r).

tegangan ripel (rms)r = ------------------------------------ tegangan dc

Ur (rms)r = ----------------------- x 100 % U dc

Faktor lain yang juga penting dalam menentukan kualitas suatu

catu daya adalah regulasi tegangan (V.R.). Tegangan keluaran

suatu catu daya dalam keadaan ada beban cenderung lebih kecil

dibanding dengan tegangan keluaran dalam keadaan tanpa

beban. Semakin kecil perbedaan tersebut, semakin baik kualitas

suatu catu daya. Demikian pula sebaliknya, semakin besar

perbedaan tersebut, semakin jelek kualitas suatu catu daya.

Regulasi tegangan bisa didefinisikan sebagai berikut.

Udc tanpa beban – Udc beban penuhU.R. = -------------------------------------------------

Udc beban penuh

UNL – VFL

% U.R. = ----------------- x 100 % VFL

Suatu penyearah tanpa filter akan menghasilkan tegangan keluaran

yang juga terdiri atas komponen DC dan komponen AC (ripel).

Penyearah setengah gelombang menghasilkan tegangan DC dan AC

sebesar:

Udc = 0,318 Vm

Ur(rms) = 0,385 Vm

Oleh karena itu faktor ripel (r) dari penyearah setengah gelombang

adalah:

r =121 %

Sedangkan Penyearah gelombang penuh menghasilkan tegangan

DC dan AC sebesar:

Udc = 0,636 Vm

Ur(rms) = 0,308 Vm

Oleh karena itu faktor ripel (r) dari penyearah gelombang penuh

adalah:

r =48 %

Filter yang banyak digunakan dalam rangkaian catu daya adalah

filter kapasitor (C). Filter C ini sangat sederhana yaitu dengan cara

menambahkan secara parallel komponen C pada penyearah.

Semakin besar nilai C yang digunakan, semakin baik factor ripelnya

atau semakin halus/kecil komponen AC (ripel)nya.

Pada penyearah gelombang penuh dengan filter C, nilai tegangan

ripel dapat ditentukan sebagai berikut.

Vdc

Vr(rms) = --------------- 43.f.R.C

Sehingga faktor ripelnya dapat diperoleh:

1 r = --------------- x 100 %

43.f.R.C

Untuk memperoleh keluaran catu daya yang lebih halus dapat

digunakan filter RC, yakni gabungan antara komponen C dan R.

Rangkaian dasar filter RC dapat dilihat pada gambar 1.18.

Gambar 1.18. Rangkaian dasar filter RC

6) IC. (Integrated Circuit)

Regulator tegangan dengan menggunakan komponen utama IC

(integrated circuit) mempunyai keuntungan karena lebih kompak

(praktis) dan umumnya menghasilkan penyetabilan tegangan yang

lebih baik. Fungsi-fungsi seperti pengontrol, sampling, komparator,

referensi, dan proteksi yang tadinya dikerjakan oleh komponen

diskrit, sekarang semuanya dirangkai dan dikemas dalam IC. Ada

beberapa jenis IC yang menghasilkan tegangan keluaran tetap baik

positip maupun negatip, ada pula yang menghasilkan tegangan

keluaran yang bisa diatur. IC regulator tegangan tipe LM78xx

(series) menghasilkan tegangan tetap positip, sedangkan tipe

LM79xx (series) menghasilkan tegangan tetap negatip.

Gambar 7.2 bentuk IC regulator dan simbol rangakain

Pada gambar 7.1 terlihat bahwa IC regulator tipe LM7812 akan

menghasilkan tegangan keluaran tetap sebesar positip 8 Volt. IC

jenis ini mempunyai 3 buah terminal, yakni masukan (input),

keluaran (output), dan ground (GND). Spesifikasi tegangan pada

beberapa IC regulator seri LM78xx dan 79xx series terlihat pada

tabel berikut.

Tabel 1. Spesifikasi Tegangan IC Regulator Lm78xx dan Lm79xx

LM 78xx/79xx (series)

Tegangan Output(Volt)

Tegangan Input Minimal(Volt)

LM7805 LM7905 + 5 - 5 + 7.3 - 7.3

LM7806 LM7906 + 6 - 6 + 8.3 - 8.3

LM7808 LM7908 + 8 - 8 + 10.5 - 10.5

LM7810 LM7910 + 10 - 10 + 12.5 - 12.5

LM7812 LM7912 + 12 - 12 + 14.6 - 14.6

LM7815 LM7915 + 15 - 15 + 17.7 - 17.7

LM7818 LM7918 + 18 - 18 + 21 - 21

LM7824 LM7924 + 24 - 24 + 27.1 - 27.1

(Sumber: Boylestad, 1992)

Regulator tiga terminal adalah “ Integrated Voltage Regulator

Circuit “ yang dirancang untuk mempertahankan tegangan

outputnya tetap dan mudah untuk dirangkai.

Keuntungannya adalah:

1. Membutuhkan penambahan komponen luar yang sangat sedikit,

ukuran kecil

2. Mempunyai proteksi terhadap arus hubung singkat.

3. Mempunyai automatic thermal shutdown.

4. Mempunyai tegangan output yang sangat konstan

5. Mempunyai arus rendah

6. Mempunyai ripple output yang sangat kecil.

7. Pembiyaan rendah

Seri LM 78XX adalah regulator dengan tiga terminal, dapat

diperoleh dengan berbagai tegangan tetap

Beberapa IC regulator mempunyai kode yang dibuat oleh pabrik

pembuat komponen, sebagai contoh: IC LM.7805 AC Z yang artinya

sebagai berikut:

LM Linear Monolithic

78L Bagian nomor dasar yang menyatakan tegangan positip

Tegangan output

AC Standart ketepatan

Z Tipe pembungkus , ZTO-92 Plastic

Seri LM 78XXC dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 alamunium,

arus keluaran (output) 1A ,boleh lebih asalkan IC regulator

dilengkapi dengan pendingin (heat- sink). Regulator LM 78XXC

mudah dipakai dan tambahan komponen-komponen ektern tidak

banyak.

Sifat-sifat IC regulator LM 78XX adalah sebagai berikut:

1. Arus keluaran melebihi 1A

2. Pengamanan pembebanan lebih termik

3. Tidak diperlukan komponen tambahan

4. Ada pengamanan untuk transistor keluaran ( output )

Dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 aluminium

BAB II

PENGUKURAN

1) Gambar Kerja:

Schematic Diagram Power Supply

PCB Power Supply

2) Hasil Pengukuran

OsciloscopeA. Pengukuran tegangan input AC

V= 18Vp-pVrms= Vp-p/2,828Vrms= 6,36V

B. Pengukuran Frekuensi input ACT= 2mSF= 1/TF= 1/2 x10-3

F= 500Hz

C. Pengukuran tegangan outputV= 5V

MultimeterA. Pengukuran tegangan input AC

V= 6,2V

B. Pengukuran tegangan outputV= 5V

Tabel perbandingan pengukuran Oscisolcope dengan Multimeter

Satuan Ukur Osciloscope MultimeterFin 500Hz ~Vin 6,36V 6,2VVout 5V 5V